Tài liệu Nghiên cứu kết cấu tường neo kè bờ sông bằng bản cọc bê tông cốt thép dự ứng lực

BẢN CAM KẾT Tôi xin cam kết tất cả các nghiên cứu trong luận văn này là kết quả nghiên cứu của chính bản thân tôi thực hiện trong khoá học cao học tại Trường Đại học Thuỷ lợi dưới sự hướng dẫn nghiên cứu khoa học của PGS.TS. Phạm Văn Quốc và PGS .TS. Vũ Hoàng Hưng. Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về lời cam kết của mình. Hà Nội ngày 15 tháng 03 năm 2018 Lê Thái Sơn i LỜI CÁM ƠN Trong thời gian thực hiện Luận văn, học viên đã nhận được sự trợ giúp quý báu của rất nhiều tổ chức và cá nhân. Học viên muốn được bày tỏ lòng cám ơn chân thành tới các Phòng, Ban cùng tập thể Quý thầy cô của trường Đại học Thủy lợi, đặc biệt là các thầy cô tại cơ sở I đã trang bị những kiến thức mới về khoa học kỹ thuật xây dựng công trình thủy. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn Phó Giáo sư - Tiến sĩ Phạm Văn Quốc và thầy giáo Phó Giáo sư - Tiến sĩ Vũ Hoàng Hưng - người đã trực tiếp hướng dẫn cho tôi những kiến thức khoa học trong suốt thời gian thực hiên Luận văn. Một lần nữa tôi xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc và lời chúc sức khỏe, hạnh phúc, thành công trong cuộc sống tới Quý thầy cô của trường Đại học Thủy lợi, Phó Giáo sư - Tiến sĩ Phạm Văn Quốc, Phó Giáo sư - Tiến sĩ Vũ Hoàng Hưng. TÁC GIẢ ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KÈ BTDƯL ................................................................5 1.1. Thành tựu xây dựng công trình bảo vệ bờ sông ở nước ta .......................................5 1.1.1 Một số công trình kè bảo vệ bờ sông điển hình .....................................................5 1.1.2 Sự phát triển và ứng dụng bản cọc bê tông cốt thép dự ứng lực ............................6 1.2. Tình hình xói lở và biện pháp bảo vệ bờ sông ở nước ta .......................................11 1.2.1. Tình hình chung về áp dụng thành tựu KHKT bảo vệ bờ sông ..........................11 1.2.2 Một số công trình xây dựng bảo vệ bờ sông tiêu biểu .........................................12 1.2.3. Sử dụng bản cọc bê tông cốt thép dự ứng lực để làm tường kè sông..................14 1.3. Các phương án công trình chống xói lở bờ tả đoạn sông .......................................15 1.3.1. Hệ thống mỏ hàn: ................................................................................................15 1.3.2. Kè mái dốc ...........................................................................................................17 1.3.3. Tường kè bê tông cốt thép (tường trọng lực, tường bản góc) .............................18 1.3.4. Tường kè dùng bản cọc bê tông cốt thép ứng suất trước ....................................19 1.4. Các hình thức kết cấu neo tường bản cọc ...............................................................20 1.4.1. Mố neo bằng khối bê tông cốt thép ....................................................................20 1.4.2. Ống neo bằng khoan bơm bê tông tạo neo ..........................................................21 1.4.3. Neo bằng hệ cọc và bản đáy tường bản góc phía trên tường bản cọc .................21 1.4.4. Các hình thức kết cấu thanh neo giữa tường và mố neo .....................................22 1.5. Kết luận chương 1: .................................................................................................23 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LỰC THẤM. ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ BỀN TƯỜNG KÈ ...................................................................................................................24 2.1. Tính toán lực thấm tường kè ..................................................................................24 2.1.1. Phương pháp tính toán đơn giản gần đúng ..........................................................24 2.1.2. Phương pháp tính toán bằng mô hình số PTHH..................................................25 2.2. Phương pháp tính toán ổn định của tường bản cọc ................................................28 2.2.1. Phương pháp tính toán cung trượt ổn định của mái dốc bờ sông hiện trạng .......28 2.2.2. Xác định phương án độ sâu đóng bản cọc dựa trên cung trượt ...........................30 2.2.3. Phương pháp tính toán áp lực đất chủ động và bị động lên tường ......................31 2.2.4. Phương pháp tính toán kiểm tra ổn định của tường bản cọc ...............................33 iii 2.3. Phương pháp tính toán độ bền của hệ tường kè ..................................................... 33 2.3.1. Phương án giải tích tính toán độ bền tường kè bản cọc BTCT DƯL.: ............... 33 2.3.2. Phương pháp mô hình số PTHH tính toán độ bền tường kè bản cọc BTCT DƯL ....................................................................................................................................... 36 2.3.3. Khái quát về phần mềm Plaxis ............................................................................ 45 2.3.4. So sánh và nhận xét về hai phương pháp tính toán ............................................. 46 2.4. Kết luận chương 2: ................................................................................................. 47 CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ TẦM XÁ SÔNG HỒNG HÀ NỘI................................................................................................. 48 3.1. Giới thiệu về chỉnh trị đoạn sông Hồng khu vực Hà Nội ...................................... 48 3.1.1. Giới thiệu chung .................................................................................................. 48 3.1.2. Tình hình biến hình lòng sông đoạn Tầm Xá sông Hồng – Hà Nội ................... 50 3.1.3. Điều kiện địa hình ............................................................................................... 53 3.1.4. Điều kiện thủy văn, thủy lực của đoạn sông ....................................................... 56 3.1.5. Diễn biến và dự báo xói lỡ bờ tả của đoạn sông ................................................. 58 3.1.6. Yêu cầu về giao thông thủy và cảnh quan của thành phố Hà Nội ...................... 58 3.1.7. Giải pháp chống sạt lở mái dốc của đoạn bờ Tầm Xá thuộc sông Hồng ............ 60 3.1.8. Kết luận chương 3 ............................................................................................... 65 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ BỀN CHO TƯỜNG KÈ TẦM XÁ – HÀ NỘI BẰNG BẢN CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG XUẤT TRƯỚC .............. 66 4.1. Tài liệu đầu vào để tính toán tường kè BTCT UST Tầm Xá ................................. 66 4.1.1. Mặt cắt điển hình để tính toán ............................................................................. 66 4.1.2. Chế độ mực mước tính toán ................................................................................ 66 4.1.3. Thuộc tính của các lớp đất tính toán ................................................................... 67 4.1.4. Thuộc tính của bê tông cốt thép của bản cọc ...................................................... 67 4.1.5. Trường hợp tính toán........................................................................................... 68 4.2. Kết quả tính toán thấm, ổn định mái dốc hiện trạng và giải pháp công trình ........ 69 4.2.1. Lưới phần tử của mặt cắt tính toán ...................................................................... 69 4.2.2. Số liệu tính toán................................................................................................... 69 4.2.3. Kết quả tính toán lưới thấm, gradient thấm......................................................... 70 4.2.4. Kết quả tính toán ổn định mái dốc tự nhiên chưa đóng cọc ................................ 70 iv 4.3. Tính toán độ sâu và kiểm tra độ bền tường bản cọc theo phương pháp giải tích ...71 4.3.1. Xác định các phương án độ sâu đóng bản cọc dựa trên cung trượt (không có neo và có neo).......................................................................................................................71 4.3.2. Tính toán áp lực đất lực chủ động và bị động lên tường theo các phương án ....73 4.3.3. So sánh và nhận xét kết quả tính toán phương án 1 (không có neo) và phương án 2 (có neo). ......................................................................................................................81 4.4. Kết quả tính toán độ bền của hệ tường k (PA1 và PA 2) ......................................82 4.4.1. Kết quả tính toán theo phương pháp giải tích .....................................................82 4.4.2. Kết quả tính toán theo phần mềm Plaxis .............................................................82 4.5 Kết luận chương 4 .................................................................................................105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................111 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1:Kè sông đáy huyện Ứng Hòa ........................................................................... 5 Hình 1.2: Kè bờ hữu sông Thái Bình ............................................................................. 5 Hình 1.3: Kè chống sạt lở bờ sông Lục Nam tỉnh Bắc Giang ......................................... 6 Hình 1.4: Tuyến đê bờ tả sông Nhuệ đoạn qua địa bàn xã Cự Khê (huyện Thanh Oai) 6 Hình 1.5: Đê, Kè hữu Sông Yên, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa. .............................. 6 Hình 1.6: Kè Sông Tô Lịch ............................................................................................. 6 Hình 1.7: Sản phầm cọc ván BTCT DƯL mặt cắt chữ U ............................................... 8 Hình 1.8: Cọc ván BTCT DƯL mặt cắt chữ U ............................................................... 9 Hình 1.9: Bốn kiểu mặt cắt ngang của cọc ván BTCT DƯL ........................................ 10 Hình 1.10:Bờ kè chống sạt lở tp. Biên Hòa - tỉnh Đồng Nai ........................................ 13 Hình 1.11:Bờ kè chống sạt lở thị trấn Tân Thạnh - tỉnh Long An ................................ 13 Hình 1.12:Bờ kè cảng Holcim - tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu ................................................ 13 Hình 1.13:Bờ kè Thủ Dầu Một - tỉnh Bình Dương ....................................................... 14 Hình 1.14 Mố neo bằng khối bê tông cốt thép ............................................................. 20 Hình 1-15. Neo tường bản cọc bằng khoan bơm bê tông tạo neo ................................. 21 Hình 1-16. Neo tường bản cọc bằng hệ cọc và bản đáy tường bản góc phía trên tường bản cọc ........................................................................................................................... 21 Hình 1-17. Các hình thức kết cấu thanh neo giữa tường và mố neo ............................. 22 Hình 2.1. Áp lực nước thủy tĩnh tác dụng lên tường bản cọc ....................................... 24 Hình 2.2.Lưới thấm để tính áp lực nước tác dụng lên tường bản cọc ........................... 26 Hình 2.3. a) Biểu đồ áp lực thủy tĩnh và áp lực thấm tác dụng lên tường; b) Biểu đồ áp lực nước chênh lệch tổng hợp tác dụng lên tường ........................................................ 28 Hình 2.4. Sơ đồ tính lực thấm từ áp lực nước lỗ rỗng của PP. Bishop đơn giản .......... 30 Hình 2.5. Phân bố lực lên tường conson tự do – không có mực nước ngầm ................ 31 Hình 2.6. Phân bố lực lên tường conson tự do – có mực nước ngầm ........................... 32 Hình 2.7. Phân bố lực lên tường conson tự do – có mực nước ngầm ........................... 33 Hình 2.8. Phân bố lực lên tường conson tự do có mực nước ngầm .............................. 35 Hình 2.9: Hướng các thành phần ứng suất Tenxơ......................................................... 37 Hình 2.10: Trục hệ toạ độ.............................................................................................. 40 Hình 3.1: Vị trí công trình trên sông Hồng ................................................................... 52 vi Hình 3.2. Ảnh 3D thể hiện một phương án nghiên cứu chỉnh trị và phát triển đô thị hai bên bờ sông Hồng tại Hà Nội ........................................................................................59 Hình 3-3. Thiết kế điển hình mỏ hàn Tầm Xá...............................................................61 Hình 3-4. Kè mái dốc bảo vệ mái bờ sông bị xói lở......................................................61 Hình 3-5. Chân kè bằng lăng thể đá đổ .........................................................................62 Hình 3-6. Chân kè bằng lăng thể rồng tre và đá ............................................................62 Hình 3-7. Lăng thể chân kè bằng bè chìm kết hợp các khối rọ đá và bê tông ..............62 Hình 3-8. Giải pháp tường kè kết hợp tường bản góc với kè mái dốc ..........................63 Hình 3.9. Giải pháp tường Kè bê tông cốt thép ứng suất trước để bảo vệ bờ Tầm Xá .64 Hình 4-1. Mặt cắt điển hình để tính toán .......................................................................66 Hình 4-2. Mặt cắt ngang tường cừ tính toán .................................................................68 Bảng 4.2. Các chỉ tiêu tính toán của bản cọc bê tông cốt thép ứng suất trước..............68 Hình 4.3. Lưới phần tử của mặt cắt tính toán ................................................................69 Hình 4-4. Kết quả tính toán đường bảo hoà và lưu lượng thấm ....................................70 Hình 4-5. Kết quả tính toán ổn định mái dốc tự nhiên chưa đóng cọc ..........................71 Hình 4-6. Mặt cắt điển hình của dự án kè bãi Tầm Xá .................................................72 Hình 4-7. Phân bố ngoại lực lên tường conson tự do có mực nước ngầm ....................75 Hình 4-8. Biểu đồ mô men theo chiều cao tường ..........................................................77 Hình 4-9. Phân bố ngoại lực lên tường conson tự do có mực nước ngầm,có neo ........79 Hình 4-10. Phân bố ngoại lực và mô men nội lực của tường conson có neo trong đất không dính với mực nước ngầm ngang mực nước sông ...............................................80 Hình 4-11. Mặt cắt thực tế tường kè không có neo .......................................................83 Hình 4-12. Chia lưới phần tử mặt cắt tính toán .............................................................86 Hình 4-13. Biểu đồ môment lớn nhất ............................................................................86 Hình 4-14. Biểu đồ lực cắt.............................................................................................87 Hình 4-15. Biểu đồ lực dọc ...........................................................................................87 Hình 4-16. Chuyển vị tại điểm A đỉnh cừ Ux=51,105 cm ............................................88 Hình 4-17. Hệ số an toàn FS = 1.043 ............................................................................88 Hình 4-18. Mặt cắt thực tế tường kè có neo ..................................................................91 Hình 4-19. Chia lưới phần tử mặt cắt tính toán ............................................................95 Hình 4-20: Môment max trong cừ BTDƯL S600B ......................................................95 vii Hình 4-21: Lực cắt trong cừ BTDƯL S600B................................................................ 96 Hình 4-22: Lực dọc trong cừ BTDƯL S600B .............................................................. 96 Hình 4-23: Nội lực trong thanh neo ............................................................................. 97 Hình 4-24: Chyển vị của đỉnh cừ Ux = 6,582 cm ......................................................... 97 Hình 4-25: Hệ số an toàn FS = 1.209 ........................................................................... 98 Hình 4-26: Cường độ và biến dạng trong đất lưng tường .......................................... 101 Hình 4-27: Cường độ và biến dạng trong đất dưới nền cọc ....................................... 101 Hình 4-28: Cường độ và biến dạng trong đất lưng tường .......................................... 102 Hình 4-29: Cường độ và biến dạng trong đất dưới nền cọc ....................................... 102 Hình 4-30: Cường độ và biến dạng trong đất đất lưng tường .................................... 103 Hình 4-31: Cường độ và biến dạng trong đất nền dưới chân tường cừ ..................... 103 Hình 4-32: Cường độ và biến dạng trong đất lưng tường .......................................... 104 Hình 4-33: Cường độ và biến dạng trong đất nền dưới chân tường cừ ...................... 104 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1. Thông số kỹ thuật cọc ván BTCT DƯL bê tông 620 Châu Thới ...................7 Bảng 1-2. Thông số kỹ thuật cọc ván BTCT DƯL của CTCP Sở hữu Thiên Tân .......11 Bảng 3-1. Công trình bảo vệ bờ do Bộ NN&PTNT, UBND thành phố Hà Nội xây dựng ...............................................................................................................................48 Bảng 3-2. Các công trình chỉnh trị do Cục Đường sông Việt Nam xây dựng trong gian đoạn 1986 ÷ 1997 ..........................................................................................................48 Bảng 3-3. Mực nước tại các trạm thủy văn sông Hồng theo tần suất ..........................57 Bảng 3-4. Mực nước thấp nhất trên sông Hồng tại Hà Nội giai đoạn 2001-2013 ........57 Bảng 3-5. Hệ thống kè mỏ hàn bảo vệ bãi Tầm Xá ......................................................60 Bảng 4-1. Thuộc tính của các lớp đất tính toán .............................................................67 Bảng 4.2. Các chỉ tiêu tính toán của bản cọc bê tông cốt thép ứng suất trước..............68 Bảng 4.3: Các số liệu tính toán của đất sau lưng tường bản cọc ...................................70 Bảng 4.4. Số liệu của các lớp đất tính toán ...................................................................84 Bảng 4.5. Các chỉ tiêu tính toán của bản cọc bê tông cốt thép ứng suất trước.............85 Bảng 4-6. Kiểm tra chiều dài cừ theo các phương án ...................................................90 Bảng 4-7. Các số liệu lớp đất tính toán .........................................................................93 Bảng 4-8. Thuộc tính bê tông cốt thép bản cọc .............................................................94 Bảng 4-9. Thuộc tính bê tông cốt thép thanh neo thép phi 30 ......................................94 Bảng 4.10: Kiểm tra chiều dài cừ ..................................................................................98 ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT NN&PTNT Nông nghiệp và Phát triển nông thôn BTCT Bê tông cốt thép BTCTDƯL Bê tông cốt thép dự ứng lực CTCP Công ty cổ phần DƯL Dự ứng lực GTVT Giao thông vận tải KHCN Khoa học công nghệ KHKT Khoa học kỹ thuật PC Cọc ván Bê tông cốt thép dự ứng lực PTHH Phần tử hữu hạn TX Tầm xá UBND Ủy ban nhân dân x MỞ ĐẦU 1.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ở nước ta nói chung và thành phố Hà Nội và Đồng bằng sông Hồng nói riêng, hiện tượng sạt lở bờ sông diễn ra nghiêm trọng vì dòng sông mang nhiều bùn cát lại chảy trên một nền bồi tích rất dễ xói, bồi nên quá trình xói lở - bồi đọng diễn ra liên tục theo thời gian và không gian. Hàng năm nhà nước phải đầu tư hàng nghìn tỷ đồng để xây dựng các công trình bảo vệ bờ sông, đặc biệt cho các đoạn sông cong xói lở mạnh uy hiếp dải dân cư ở hai ven bờ. Ngoài các giải pháp đơn giản truyền thống kè mái dốc, kè mỏ hàn mái nghiêng bằng đá hộc lõi đất, đá xây, tấm bê tông, chúng ta đã và đang áp dụng thành tựu khoa học công nghệ xây dựng tiên tiến để chống sạt lở bờ sông như: Cấu kiện bê tông liên kết mảng, mỏ hàn kiểu cọc có dầm đỉnh, mỏ hàn hoàn lưu đảo chiều dòng chảy, tường kè bằng bản cọc bê tông dự ứng lực… Luận văn lấy khu vực bờ tả đoạn sông thuộc Bãi Tầm Xá, xã Hải Bối huyện Đông Anh thành phố Hà Nội là trường hợp nghiên cứu.Đây là khu vực bị xói lở mạnh có xu hướng phát triển lại nhánh sông Dâu, làm diễn biến dòng sông phức tạp, ảnh hưởng đến giao thông thủy, sản xuất của nguời dân trong khu vực. Công trình kè bờ tả đoạn sông thuộc bãi Tầm Xá có ý nghĩa quan trọngtrong việc bảo vệ tính mạng, tài sản của nhân dân trước nguy cơ sạt lở, mà còn giúp cho cải thiện môi trường, mở ra không gian thông thoáng, tạo tiền đề cho sự phát triển văn hóa du lịch trên sông Hồng. Vì vậy, đề tài luận văn: “Nghiên cứu kết cấu tường neo kè bờ sông bằng bản cọc bê tông cốt thép dự ứng lực” có ý nghĩa khoa học thực tiễn và cấp thiết. 2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu giải pháp, ổn định và độ bền kết cấu tường kè bờ sông bằng bản cọc bê tông cốt thép dự ứng lực chiều cao lớn có kết cấu neo, trên cơ sở đó áp dụng bảo vệ bờ sông đoạn Tầm Xá bờ tả sông Hồng Hà Nội. Sử dụng phần mềm Seep/W để tính toán thấm; Sử dụng Slope/W để tính toán ổn định khi chưa có tường kè; Sử dụng phần mềm Plaxis 8.5 của Plaxis Hà Lan để mô phỏng 1 sự làm việc của các phương án công trình Tường kè bê tông cốt thép dự ứng lực sông Hồng Hà Nội: Tường kè conson (cantilevver sheet pipe wall); Tường kè có neo (anchored sheet pipe wall). Kết quả phân tích tường minh về trường ứng suất và biến dạng của kết cấu tường, kết cấu neo và môi trường đất đắp sau lưng tường và đất nền công trình. Đánh giá được hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của các phương án tường kè bê tông cốt thép dự ứng lực không có neo và các phương án có neo. Rút ra các kết luận và kiến nghị áp dụng. 3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU a. Cách tiếp cận Thu thập, nghiên cứu, tiếp thu thành tựu khoa học KHCN trên thế giới, cập nhật các tài liệu kỹ thuật, tài liệu nghiên cứu, các kết cấu công trình kè bảo vệ bờ sông thực tế trên thế giới. Điều tra, thu thập, nghiên cứu tình hình xói lở và bảo vệ bờ sông, đặc biệt là đối với các đoạn bờ sông cong chịu tác động của dòng chảy mạnh, bị xói lở nghiêm trọng ở nước ta; Tổng hợp về ứng dụng thành tựu KHCN trong đó có bản cọc bê tông cốt thép dự ứng lực để xây dựng các loại công trình bảo vệ bờ sông, đặc biệt là đối với các đoạn bờ sông cong chịu tác động của dòng chảy mạnh, bị xói lở nghiêm trọng ở nước ta. Nghiên cứu cơ sở lý luận, thực hành dùng phần mềm thương mại mạnh, nhiều tiện ích của Geo-Slope với 3 mô đun Seep/W, Slope/W, Sigma/W của Canada, đến nay đang sử dụng rộng rãi ở Việt Nam là GeoStudio 2007 để tính toán , phân tích thấm và ổn định. Nghiên cứu cơ sở lý luận và thực hành sử dụng phần mềm Plaxis 8.5 của Plaxis Hà Lan, là phần mềm phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng ứng suất và biến dạng của kết cấu và môi trường nền công trình. Sử dụng các mô hình vật liệu phù hợp với ứng xử của đất.Miền tính toán được rời rạc hóa bởi các phần tử tam giác biến dạng phẳng.Kết quả tính toán cho phép phân tích được trường ứng suất, chuyển vị và ổn định của toàn hệ. Phân tích ổn định và biến dạng công trình bờ kè được được mô 2 phỏng quá trình làm việc thực tế, xét theo từng giai đoạn làm việc như: Thi công, san lấp, cố kết và tải trọng phân bố đều trên bề mặt. Điều tra, thu thập, phân tích đặc điểm địa hình, địa chất, chế độ thủy văn, thủy lực, tình hình xói lở cho công trình Tường kè bằng bản cọc bê tông cốt thép dự ứng lực đoạn sông Hồng tại Hà Nội – Nghiên cứu trường hợp của luận văn. b. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp sau đây được sử dụng trong luận văn: - Tổng hợp, phân tích các tài liệu thu thập ở trong và ngoài nước. - Lý thuyết về tính toán thấm, ổn định và độ bền công trình. - Phương pháp mô hình số phần tử hữu hạn về tính toán thấm, ổn định và độ bền công trình thông qua ứng dụng các phần mềm Seep/w, Slope/w và Plaxis. 4. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Tổng quan thành tựu KHCN trên thế giới, cập nhật các tài liệu kỹ thuật, tài liệu nghiên cứu, các kết cấu công trình kè bảo vệ bờ sông thực tế trên thế giới, tình hình xói lở bờ sông, ưu nhược điểm và hiệu quả của các loại kết cấu kè chống sạt lở bờ sông ở nước ta. Giới thiệu ưu nhược điểm, tình hình sử dụng bản cọc bê tông bê tông cốt thép ứng suất trước làm tường kè bảo vệ bờ sông, bờ biển trên thế giới và tại Việt Nam. Khái quát về phương pháp mô hình số phần tử hữu hạn tính toán thấm và ổn định mái dốc công trình đất bằng Seep/w, Slope/w; Phương pháp mô hình số phần tử hữu hạn tính toán độ bền công trình bằng phần mềm Plaxis. Nghiên cứu trường hợp Tường kè bằng bản cọc bê tông cốt thép dự ứng lực đoạn tả bờ sông Hồng tại bãi Bãi Tầm Xá, xã Hải Bối huyện Đông Anh thành phốHà Nội, bao gồm: Phân tích điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, thủy lực, diễn biên xói lở, đánh giá nguyên nhân gây sạt lở bờ sông. Xác định các phương án giải pháp kết cấu kè chống sạt lở bờ. Dùng mô đun Seep/W để tính toán thấm, mô đun Slope/W để tính toán ổn định tổng thể mái dốc bờ sông cho trường hợp hiện trạng và cho trường hợp dự báo xói sâu hơn ở chân tường kè để có căn cứ xác định sơ bộ chiều sâu bản cọc bê 3 tông cốt thép dự ứng lực; Dùng phần mềm Plaxis để tính toán ứng suất, biến dạng cho hệ tường kè bản cọc bê tông cốt thép dự ứng lực và khối đất bảo vệ của bờ ; trường ứng suất và biến dạng của kết cấu tường, kết cấu neo và môi trường đất đắp sau lưng tường và đất nền công trình. Phân tích, đánh giá kết quả tính toán ổn định và độ bền của hệ tường kè và khối đất bảo vệ để xác định hiệu quả kỹ thuật của giải pháp sử dụng bản cọc bê tông cốt thép dự ứng lực. Đánh giá được hiệu quả kỹ thuật của các phương án tường kè bê tông cốt thép dự ứng lực không có neo và các phương án có neo. Rút ra kết luận và kiến nghị. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KÈ BTDƯL 1.1. Thành tựu xây dựng công trình bảo vệ bờ sông ở nước ta Cừ ván bê tông cốt thép hay còn gọi là cọc ván bê tông cốt thép hay tường cọc ván là một dạng đặt biệt của tường chắn đất, thường được sử dụng để bảo vệ các công trình ven sông, ven biển kết hợp với việc chống xói lở bờ sông, bờ biển. Nhiều công trình triển khai rất nhiều bờ kè sử dụng công nghệ này. Từ trước đến nay các công trình xây dựng, giao thông, cầu cảng, công trình kè thường được sử dụng là cọc bê tông kết hợp bản chắn đất hoặc tường chắn để gia cố và bảo vệ bờ nhưng các vật liệu trên ngày nay không còn đáp ứng nhu cầu sử dụng vì khối lượng vật liệu lớn, thời gian thi công kéo dài ảnh hưởng đến sinh hoạt và cuộc sống của người dân đồng thời hay xảy ra sự cố lún sụt, trồi bản chắn... 1.1.1 Một số công trình kè bảo vệ bờ sông điển hình Công trình kè là một trong những phương pháp thường được sử dụng để bảo vệ các công trình ven sông phổ biến khá nhiều trong nước. Tuy nhiên hiệu quả của bờ kè trong việc chống sạt lở tại những khu vực có khả năng sạt lở cao như đoạn tả bờ sông Hồng tại bãi Bãi Tầm Xá, xã Hải Bối huyện Đông Anh thành phố Hà Nội cần phải nghiên cứu bổ sung, bởi vì một số công trình đã và đang thi công xây dựng đã bị sự cố gây thiệt hại rất lớn về người và tài sản. Trong tính toán công trình kè, việc tính toán ổn định là vấn đề quan trọng hàng đầu cần phải xét. Hình 1.2: Kè bờ hữu sông Thái Bình Hình 1.1:Kè sông đáy huyện Ứng Hòa 5 Hình 1.3: Kè chống sạt lở bờ sông Lục Nam tỉnh Bắc Giang Hình 1.4: Tuyến đê bờ tả sông Nhuệ đoạn qua địa bàn xã Cự Khê (huyện Thanh Oai) Hình 1.5: Đê, Kè hữu Sông Yên, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa. Hình 1.6: Kè Sông Tô Lịch 1.1.2 Sự phát triển và ứng dụng bản cọc bê tông cốt thép dự ứng lực Cách đây hơn 50 năm Tập đoàn PS MITSUBISHI (Nhật Bản) đã phát minh ra loại “cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực - PC Sheet Pile (gọi tắt là ván cọc PC)” với kiểu dáng hình học dạng sóng của mặt cắt tiết diện và đã được xây dựng thử nghiệm rất có hiệu quả tại Nhật. Cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực được ứng dụng lần đầu tiên tại Việt Nam khoảng năm 1999 - 2001 tại cụm công trình nhiệt điện Phú Mỹ - tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu, làm kênh dẫn nước giải nhiệt cho nhà máy tua bin khí với chiều dài 1000m, chiều rộng 45m, chiều sâu 8,7m, với sự giúp đỡ của các nhà tư vấn Nhật và đặc biệt sự hướng dẫn trực tiếp công nghệ thi công lắp đặt của Nhà sáng chế ra cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực - Tiến sĩ ITOSHIMA. Hiện nay kênh này vẫn bền vững và Nhật đã chuyển giao công nghệ này cho ta. 6 Công nghệ cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực có nhiều tính năng vượt trội như cường độ chịu lực cao nhờ tiết diện dạng sóng và đặc tính dự ứng lực làm tăng độ cứng và tăng khả năng chịu lực của ván. Do sản xuất tại công xưởng theo qui trình công nghệ tiên tiến của Nhật Bản nên chất lượng được kiểm soát chặt chẽ, năng suất cao, chủng loại sản phẩm đa dạng, đáp ứng theo nhiều dạng địa hình và địa chất khác nhau... Tuổi thọ công trình cũng được nâng cao lên, bởi cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực được sản xuất từ những vật liệu có cường độ cao, khả năng chịu lực tốt nên giảm được rất nhiều trọng lượng vật tư cho công trình, dễ thay thế cọc mới khi những cọc cũ gặp sự cố. Hơn nữa, cũng nhờ thép được chống gỉ, chống ăn mòn, không bị oxy hóa trong môi trường nước mặn cũng như nước phèn, chống được thẩm thấu nhờ sử dụng bằng vật liệu Vinyl cloride khá bền vững [1], [2]. Ngoài ra, giá thành công nghệ này dễ chấp nhận so với công nghệ truyền thống, thi công dễ dàng và chính xác, không cần mặt bằng rộng, chỉ cần xà lan và cẩu, vừa chuyên chở cấu kiện vừa ép cọc là có thể thi công được. Một ưu điểm nữa là trong xây dựng nhà cao tầng dùng móng cọc ép ở các thành phố, có thể dùng cọc ván BTCT dự ứng lực ép làm tường chắn chung quanh móng, để khi ép cọc, đất không bị dồn về những phía có thể gây hư hại những công trình kế cận làm nứt tường, sập đổ… Bảng 1-1. Thông số kỹ thuật cọc ván BTCT DƯL bê tông 620 Châu Thới 7 Hình 1.7: Sản phầm cọc ván BTCT DƯL mặt cắt chữ U 8 Hình 1.8: Cọc ván BTCT DƯL mặt cắt chữ U Các kiểu mặt cắt: - Mặt cắt chữ nhật có mộng khớp (1) 9 - Mặt cắt chữ T có mộng khớp (2) - Mặt cắt chữ U có mộng khớp (3) - Mặt cắt chữ H có mộng khớp (4) Phần khe rỗng ô van giữa các cọc sẽ được bơm vữa bê tông trương nở để bịt đầy. Hình 1.9: Bốn kiểu mặt cắt ngang của cọc ván BTCT DƯL 10